 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2013, 2, 14-19 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2013.21003 Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Health Hazard Assessment under the Cd Pollution Accident Scenarios in Longjiang River* Ming Dou1, Shuping Bao2, Chongjie Ma1, Guiqiu Li1 1College of Water Conservancy and Environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 2Bureau of Hydrology and Water Resources of Ningxia, Yinchuan Email: dou_ming@163.com, douming@zzu.edu.cn Received: Nov. 26th, 2012; revised: Dec. 12th, 2012; accepted: Dec. 21st, 2012 Abstract: Based on the Cd pollution accident in Longjiang River in 2012, one-dimensional heavy metal model is built, and its parameters are calibrated by the monitored data. According to the designed data of Cd pollution accident scenarios, the movement process of Cd in the river is simulated by the model. The assess- ment method of health hazard is built to assess the health hazards caused by the pollution accident. The re- sults show that the health hazard under the real accident background on the people of Liuzhou city is little; the rise of Cd discharge intensity will increase the acute toxicity probability of the people in Liuzhou city; the rise of Cd discharge quantity and frequency will increase the chronic carcinogenesis risk of the people in Liuzhou city; and that water intake and water use actions from the 80 km long reach downward the accident place should be forbidden during the accident. Keywords: Longjiang River; Cd Pollution; Heavy Metal Model; Health Hazard Assessment 龙江河镉污染事故情景下的健康危害评价* 窦 明1，包淑萍 2，马崇杰 1，李桂秋 1 1郑州大学水利与环境学院，郑州 2宁夏水文水资源勘测局，银川 Email: dou_ming@163.com, douming@zzu.edu.cn 收稿日期：2012 年11月26 日；修回日期：2012 年12 月12日；录用日期：2012 年12 月21 日 摘 要：以2012 年广西龙江河镉污染事故为背景，建立了一维重金属模型，结合实测资料对模型进 行验证；设定多个突发镉污染事故情景，运用重金属模型模拟镉在水体中的运移过程；提出健康危害 评价方法，定量评价事故给柳州市带来的人群健康危害。结果表明：在龙江河镉污染事故真实背景下 对柳州市造成的健康危害较小；镉排放强度的提高，会增加下游柳州市居民急性中毒的几率；镉排放 总量和事故发生频次的增加，则会加大当地居民的慢性致癌风险；事故发生时应控制在事故地点以下 80 km范围内禁止取用水。 关键词：龙江河；镉污染；重金属模型；健康危害评价 1. 引言 镉是一种常见的重金属元素，可在生物体内富 集，并通过食物链进入人体从而引起中毒和致癌致畸 等后果。近年来我国镉污染事故频繁发生，例如 2005 年12 月的广东北江镉污染事故、2009 年8月的湖南 浏阳镉污染事故、2012 年1月的广西龙江河镉污染事 故等，均对当地人群健康构成了一定的威胁。鉴于突 *基金项目：郑州市科技攻关计划项目(0910SGYS33389-2)。 作者简介：窦明(1975-)，男，山东桓台人，教授，工学博士，主要 从事水资源与水环境研究。 Copyright © 2013 Hanspub 14  窦明，等：龙江河镉污染事故情景下的健康危害评价 第2卷 · 第1期 发重金属污染事故呈现愈演愈烈的态势，近年来地方 政府纷纷把制定应急预案作为维护社会安全稳定的 必选措施，而掌握污染事故的发生规律、定量评价其 对人体健康的危害则成为科研单位为政府提供决策 支持的辅助手段。目前，国内已将健康危害评价相关 理论广泛应用于评价常规水环境污染对人体健康的 影响，如文献[1-3]就河流健康的概念、内涵、量化方 法等进行了研究，构建了河流健康评价方法体系；文 献[4-6]对饮用水源中存在的有毒有害物质所带来的 健康风险进行了评价。但是，如何评估重金属污染事 故造成的危害，是一个需要进一步探讨的问题。本文 以龙江河镉污染事故为背景，通过建立一维重金属模 型和健康危害评价方法，来定量评价镉污染事故给柳 州市居民造成的健康危害。 2. 突发镉污染事故情景模拟 2012 年1月15 日，广西龙江河拉浪水电站网箱 养鱼出现死鱼现象，经有关部门监测龙江河拉浪河段 重金属镉超标 80倍，水体中的镉来自于上游河池市 某企业排放的工业废水，被污染的河段主要为龙江河 东江镇断面至三岔镇断面约130 km 的范围(如图 1)。 龙江河为柳江支流，在柳州市柳城县与融江交汇，其 下游称为柳江，而柳江又是柳州市的重要饮用水水 源。龙江河镉污染对下游 300 余万人口的柳州市饮水 安全造成了威胁。由于当地政府及时采取“弱碱性化 学沉淀应急除镉技术”等应急措施，絮凝沉降了水体 中大部分镉离子，故事件未造成恶劣影响。 为了能再现此次事故对柳州市供水水源的影响、 诠释事故可能引发的后果，本文首先构建了重金属模 型，结合实测资料对模型进行了验证，进而设计不同 的镉污染事故情景，通过重金属模型模拟和分析镉污 染团对下游柳州市各水厂正常供水的影响。 2.1. 重金属模型的建立 作者曾在文献[7]中提出一种描述重金属在河流 中迁移转化的数学模型，其数学表达式由描述水动力 运动过程的圣维南方程组和描述重金属迁移转化机 理的水质基本方程组成[7]： 连续方程 1hQ tBx B q (1) 运动方程 22 2 2z Q QhQA gA Buuugu txxx R (2) 水质基本方程 2 2 1 1 mn bbb w x CC u tx KfhKfu Kfu C EC hf x (3) 式中：h——断面水深，m；Q——流量，m3/s；A—— 断面面积，m2；g——重力加速度，m/s 2；B——过水 宽度，m；q——旁侧入流流量，m3/s；u——流速， m/s；R——水力半径，m；ζ——谢才系数，m/s；C—— 重金属的浓度，mg/ l ；Ex——x方向上的扩散系数， 2/s；Kb——解吸系数，1/s；K——再悬浮系数；Kw—— m Figure 1. Scheme of the Cd pollution accident in Longjiang River in 2012 图1. 龙江河 12.1 镉污染事故示意图 Copyright © 2013 Hanspub 15  窦明，等：龙江河镉污染事故情景下的健康危害评价 第2卷 · 第1期 沉降系数；fθ——平衡态时重金属在悬浮物和水体的 分配系数；fb——平衡态时重金属在底泥和水体的分 配系数；m、n——指数，此处给定 n = 2.0，m = 4[2]。 重金属模型采用隐式差分法进行离散，并用追赶 法来进行求解。其计算范围从龙江河、融江汇合处至 柳州市柳东水厂取水口，全长 43.6 km，划分为 19 个 断面，空间步长为 2~3 km。时间范围取2012 年1月 25 日14:00~2 月21 日16:00，计算的时间步长为 2 h。 计算时的水动力和水质条件取事故发生时的实测背 景资料以及珠江水利网公布的柳江柳州站同期流量 资料。 选取监测断面露塘、新圩和柳西水厂作为模型验 证断面，参考文献[7]赋予各参数初始值，再通过试算 法最终率定出参数优选值。参数率定结果如下：Kb = 2.6 × 10−12，K = 1.7 × 10−7，Kw = 1.4 × 10−6，fb = 4 × 103， fθ = 2 × 104。 由图 2可见，上游露塘和新圩断面拟合较好，下 游柳西水厂断面拟合效果不太理想。露塘断面实测峰 值为 0.0050 mg/l，同时刻计算值为 0.0053 mg/l，相差 仅0.0003 mg/l，计算值与实测值的相对误差平均值为 16%，而新圩断面和柳西水厂断面的相对误差分别为 21%和25%。下游断面相对误差偏大主要是因为污染 水体从污染源到验证断面时，镉浓度值相对较低，水 流的输送迁移效果变弱，重金属各相态之间的相互转 化作用逐步显著，导致在交互作用下重金属的整体变 化趋势较紊乱。此外，在镉浓度较低时水质监测的实 际操作误差增大和龙江河水动力资料的缺乏也是导 致计算精度变差的原因之一[7]。 2.2. 突发镉污染事故情景模拟 参照龙江河镉污染事故的背景资料来设计事故 情景，不过为了突出事故对柳州市的威胁程度，将地 点设定在龙江河与融江汇合处，具体设计如下：假设 该地点有一污染源从 1月25 日14:00 开始连续均匀地 向河流排放含镉的工业废水，排放强度在一定时间内 保持稳定，其后停止排污，各情景下的镉排放总量和 排放持续时间见表 1；河道内的水动力学条件与模型 验证时保持一致。 将水动力、水质条件代入建立的重金属模型，模 拟出下游柳西水厂断面的镉浓度变化过程(如图3)， 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 1-25 1-28 1-312-32-62-92-12 2-15 2-18 2-21 镉浓度(mg/l) 计算值 实测值 露塘 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 1-281-291-312-2 2-4 2-6 2-7 2-9 镉浓度(mg/l) 计算值 实测值 新圩 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 1-291-302-1 2-3 2-52-7 2-82-10 日期 镉浓度(mg/l) 计算值 实测值 柳西水厂 Figure 2. Comparison of observed values and computed values by heavy metal model 图2. 重金属模型计算值与实测值比较 Table 1. The characteristic value of pollution accident under the designed scenarios 表1. 设计情景下的污染事故特征值表 情景编号 特征值 情景 1情景 2 情景 3 情景 4情景 5 镉排放总量(t) 60 60 60 150 300 排放持续时间(d) 7 2 0.25 2 2 镉浓度最大值(mg/l) 0.425 1.364 2.754 3.402 6.805 镉浓度超标历时(d) 9.7 5.0 4.2 5.4 5.7 0 2 4 6 8 1-25 1-271-29 1-312-22-42-6 日期 镉浓度(mg/l) 情景1 情景2 情景3 情景4 情景5 Figure 3. Cd concentration values in Liuxi waterworks under the designed scenarios 图3. 设计情景下的柳西水厂镉浓度变化过程图 Copyright © 2013 Hanspub 16  窦明，等：龙江河镉污染事故情景下的健康危害评价 第2卷 · 第1期 各情景下的镉浓度最大值和超标历时(超过Ⅲ类水的 累计时间长度)见表 1。对比各情景下的模拟结果发 现：在龙江河镉污染事故真实背景下，由于原污染源 距离柳州市较远，途中经过及时的应急处理和融江来 水的大量稀释，故当污染团进入柳州市时水体中的镉 浓度未超标。在设计情景中，污染源位置下移到龙江 河与融江交汇处，对柳州市水源地的威胁程度明显加 大。当镉排放总量一定时，排放持续时间越短，水体 中镉浓度峰值越高，镉浓度变化过程曲线越陡峭，而 且浓度峰值来得也较早。情景1~3下的镉浓度最大值 从0.425 mg/l增加到 2.754 mg/l，超标历时则从 9.7 d 减少到 4.2 d。而当排放持续时间一定时，镉浓度变化 过程曲线形状类似，且曲线峰值到来的时间也比较接 近，但镉排放总量越大，曲线的峰值就越高，反之亦 然。情景2、4、5下由于排放持续时间相同，故超标 历时变化不大，但镉浓度最大值却依次为 1.364 、 3.402、6.805 mg/l，随着镉排放总量的增加而增大。 3. 健康危害评价 在模拟了事故发生时镉的时空分布过程后，再进 一步地评价事故对柳州市人群带来的健康危害。 3.1. 健康危害评价方法介绍 镉是一种毒性很大的重金属，其对人体的危害可 分为急性中毒和慢性致癌两个方面，震惊世界的日本 “骨痛病事件”就是因为镉中毒所致。根据环境卫生 学、毒理学原理，突发污染事故由于有毒有害物质浓 度高、历时短，对人体健康造成的危害要大于暴露同 等剂量下的低浓度、长历时的持续排污过程所造成危 害。因此，本文从以下两方面来探讨镉污染事故对人 体的健康危害：一是要判别事故是否会引起急性中 毒，这主要通过设定临界中毒剂量来实现。在参考文 献[8]的基础上，给定镉通过口服途径导致人体急性中 毒的临界剂量为 10 mg/d。二是要评价镉在体内累积 所带来的致癌风险，此时假定人群短期内暴露于高剂 量有害物质与终生持续暴露于低剂量有害物质的后 果相同，并以终生累计平均每日暴露量来表示[8]。 镉对人体产生的致癌风险，可通过下面建立的健 康风险评价模型计算得出[8]： Cd 1expRD A (4) 式中： ——镉通过口入途径所造成的平均个人致癌 年风险， a−1；D——镉通过口入途径的单位体重日均暴 露剂量，mg/(kg·d) ； Cd R ——镉通过口入途径的致癌系 数，η = 6.1，(kg·d)/mg；A——人类平均寿 命，A = 70 a。 污染事故发生时，镉单位体重日均暴露剂量 D的 计算公式如下： 1 n i i WC F DGT (5) 式中： i C——事故期间水体的镉日平均浓度，mg /l ； W——人均日饮水量，W = 2.2，L/d；F——一生中(以 70a 计)污染事故的可能发生次数，按只发生一次来计； G——柳州市人均体重，G = 70，kg；T——平均暴露 时间，d；n——突发污染事故对水体的影响时间，d。 3.2. 评价结果分析 根据重金属模型模拟的不同情景下柳州市各水 厂断面镉浓度过程，计算出人体对镉的最大日口服剂 量，进一步通过临界中毒剂量来判别是否会引起中毒 现象；同时，由式(5)计算出镉单位体重日均暴露剂量， 再通过式(4)评价全市 5家水厂所对应供水区域内的个 人致癌年风险RCd，由 RCd 乘以水厂供水区域人数得出 致癌人数PCd(如表 2)。 年 Table 2. The result of health risk assessment under different scenarios 表2. 不同情景下的健康危害评价结果 情景 评价指标* 真实情景 情景 1 情景 2 情景 3 情景 4 情景 5 个人致癌年风险/a−1 7.21 × 10−9 3.26 × 10−7 3.24 × 10−7 3.23 × 10−7 8.07 × 10−7 1.61 × 10−6 年致癌人数/人 0.01 0.47 0.46 0.46 0.92 2.31 最大口服剂量/mg·d−1 0.010 0.957 2.869 4.031 7.155 14.310 是否引起急性中毒 否 否 否 否 否 是 *注：评价指标取全市的平均值或合计值。 Copyright © 2013 Hanspub 17  窦明，等：龙江河镉污染事故情景下的健康危害评价 第2卷 · 第1期 在综合比较国际辐射防护委员会、美国国家环保 局、荷兰建设和环境部等国际机构现已制定的饮用水 源个人年风险可接受程度范围基础上，给定城市的个 人年风险最大可接受水平Rmax = 1.0 × 10−5 a−1，再结 合表 2评价结果，定量分析突发镉污染事故给柳州市 造成的健康危害，结论如下： 1) 在龙江河镉污染事故真实情景下，由于上游来 水已达标，故事故未造成柳州市居民急性中毒和慢性 致癌后果。柳州市各水厂控制区域的个人最大日口服 剂量为 0.010 mg/d，远小于人体镉急性中毒的临界剂 量10 mg/d；个人致癌年风险RCd 为7.21 × 10−9，小于 可接受水平Rmax，同时事故造成的全市年致癌总人数 PCd 仅为 0.01 人，说明其慢性危害也非常小。导致此 次事故危害程度较低的主要原因，与事故地点距离柳 州市区较远、途中又有融江来水稀释等有关。 2) 镉排放强度的提高，是增加下游柳州市居民急 性中毒几率的主要原因。对比情景 1~3 的评价结果， 尽管排污总量一样，但排放强度较高的情景 3的居民 最大日口服剂量(4.031 mg/d)大于排放强度较小的情 景1(0.957 mg/d)；再对比情景 2、4、5也可得出类似 结论。但需要说明的是，其中只有情景 5的最大日口 服剂量超过了急性中毒的临界剂量，会引起居民急性 中毒的后果。 3) 镉排放总量是引发当地居民慢性致癌风险的 主要因素，而排放强度对其影响则不显著。在相同排 放量的情景 1~3 下，个人致癌年风险 RCd 相差不大； 而在情景2、4、5下的 RCd 值分别为3.24 × 10−7、8.07 × 10−7、1.61 × 10−6，排放总量越大，慢性致癌风险也 就越大。尽管情景 1~5 下的个人致癌年风险均没有超 过最大可接受水平Rmax，但值得注意的是，污染事故 发生频率的增加会显著提高人体的致癌风险。假设突 发镉污染事故频率为 1a/次时(即F = 70)，则个人致癌 年风险 Rcd 达到 1.0 × 10−4 a−1，此时 RCd > Rmax，全市 年致癌人数也增加到了184.54 人。因此，避免镉污染 事故频繁发生也是降低慢性致癌风险的重要环节。 4) 污染源位置和是否有其他河流汇入也是影响 下游城市居民健康风险的重要因素。龙江河镉污染事 故的污染源在河池市金城江区，河池市水厂在污染源 上游，基本没有受到影响；其下游宜州市是距离污染 源最近的城市，但宜州市水厂不在龙江河上取水，所 以事故对其影响也很小；再往下的柳州市水厂直接从 柳江取水，但由于取水口距离污染源已较远，此间又 有融江来水的稀释以及对受污染水体的应急处理，故 事故对柳州市水源地造成的危害较小。然而，一旦污 染事故发生在柳州市区河段，则引发的后果将十分严 重。根据研究发现，如果再发生同等级别的镉污染事 故，至少需要经过 70~80 km的河段才能使水体中的 镉浓度下降到一个较低的水平，因此，事故发生时应 控制在事故地点以下 80 km 范围内禁止取用水。 4. 结语 随着今后经济社会的进一步发展，诱发污染事故 的因素将会增加，这又会导致人群健康风险进一步加 大，因此必须切实做好城市饮用水源地的水污染防治 工作，其中建立水环境模拟与预警系统以及实施健康 风险评价是一项重要的手段和措施。本文通过将一维 重金属迁移转化模型、健康风险评价理论和情景分析 法等多种手段的有效结合，实现了对突发镉污染事故 的健康危害评价，对于今后指导柳州市开展饮用水源 地保护工作具有重要指导意义。 参考文献 (References) [1] 杨文慧, 杨宇. 河流健康概念及诊断指标体系的构建[J]. 水 资源保护, 2006, 22(6): 28-30. 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